硅基偏振控制器件的设计与研究

论文摘要

近年来,绝缘体上硅（SOI）材料在光子集成领域得到了较高的关注,但其波导层和包层间的高折射率差会引入显著的偏振相关性问题,极大的限制了Si基光子器件应用范围。作为解决方案之一,偏振分集系统又成为人们研究的热点。偏振控制器件作为该系统中的核心器件,具有重要的研究意义。因此本文围绕Si基偏振控制器做了如下工作:（1）依据模式耦合原理,设计了基于非对称定向耦合器（ADC）型偏振分束器（PBS）。首先,通过调整波导的宽度和高度,使其满足相位匹配条件,达到偏振分束的目的。其次,通过增加Si3N4材料覆盖层以及引入弧形波导,优化器件性能,仿真结果表明:在1550nm波长处,TM0和TE0偏振模的偏振消光比（PER）显著增大,均大于29.8dB;损耗（Loss）进一步缩小,均小于0.33dB;器件总长度约为6μm。（2）依据模式混合原理,设计了基于表面等离子体（SPPs）波导的偏振旋转器（PR）。通过引入Ag金属条形成非对称截面,其所激发出的两个混合模式相互干涉,在传输一定距离后实现偏振旋转。仿真结果表明:在1550nm波长处,改变Ag金属条宽度对其转化效率影响不大,其值均大于98%。通过合理选取Ag条宽度与高度（W1=h1=W2=h2=100nm）,可以获得较短的偏振转换长度（LC=1.26μm）和较低的损耗（Loss=2.06dB）。（3）依据模式耦合原理,设计了基于混合等离子体波导（HPW）结构的偏振分束-旋转器（PSR）。通过调整直波导（DW）和HPW宽度,使DW中TM0偏振模的有效折射率和HPW中TE0偏振模的有效折射率相等,发生偏振旋转的同时又实现了偏振分束的功能。仿真结果表明:在1550nm波段处,TM0和TE0偏振模的PER分别为34.6dB和24.8dB;Loss分别为1.688dB和0.072dB,此时器件的耦合长度仅为6.6μm。所设计的Si基偏振控制器件除了可在偏振分集系统应用外,还可应用到偏振-模分联合复用等系统中,为扩展通信容量提供理论参考。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及研究意义
•   1.2 国内外对偏振控制器件的研究现状
•     1.2.1 偏振分束器的研究现状
•     1.2.2 偏振旋转器的研究现状
•     1.2.3 偏振分束-旋转器的研究现状
•   1.3 SOI材料的选择
•   1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 理论及数值研究方法
•   2.1 光波导中的模式耦合理论
•   2.2 表面等离子体激元的基本概念
•     2.2.1 金属-介质截面处的表面等离子体激元
•     2.2.2 SPPs的激发方式
•   2.3 时域有限差分法（FDTD）
•   2.4 本章小结
• 第三章 基于非对称定向耦合器的偏振分束器的研究
•   3.1 ADC型 PBS的设计
•     3.1.1 原理与结构设计
•     3.1.2 性能与仿真分析
•   3.2 ADC型 PBS的优化设计
•     3.2.1 材料选择与结构优化
•     3.2.2 性能与仿真分析
•   3.3 本章小结
• 第四章 基于表面等离子体波导的偏振旋转器的研究
•   4.1 原理与结构设计
•   4.2 性能与仿真分析
•   4.3 本章小结
• 第五章 基于混合等离子体波导的偏振分束-旋转器的研究
•   5.1 原理与结构设计
•   5.2 性能与仿真分析
•   5.3 本章小结
• 第六章 应用与总结
•   6.1 硅基偏振控制器件的应用
•     6.1.1 偏振控制器件在偏振分集系统中的应用
•     6.1.2 偏振控制器件在偏振-模分联合复用系统中的应用
•   6.2 总结
•   6.3 展望
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文
• 附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 禹乐

导师: 汪静丽

关键词: 基波导,偏振分束器,偏振旋转器,偏振分束旋转器

来源: 南京邮电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 南京邮电大学

分类号: TN256

DOI: 10.27251/d.cnki.gnjdc.2019.001093

总页数: 84

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